【摘要】本文主要研究探索一種新的溫度變送器校準(zhǔn)方法,并采用計算機數(shù)字處理技術(shù),謀求對溫度變送器的非線性特性給予補償。非線性特性補償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)在于采用逆函數(shù)求解的方式,全檢測范圍的逐點進(jìn)行非線性補償,從而達(dá)到良好的線性特性。
目前國內(nèi)外廣泛地使用集成溫度傳感器和相應(yīng)的組件組成溫度變送器。集成溫度變送器也開始投入使用。無論是由溫度傳感器和相應(yīng)的組件組成三暢溫度變送器,還是直接使用集成溫度變送器,都采用兩點標(biāo)定法,兩點標(biāo)定法雖然可以快速方便地在現(xiàn)場對溫度變送器進(jìn)行標(biāo)定,可以滿足一般系統(tǒng)的要求,但是準(zhǔn)確度不高,而高精度采集設(shè)備非線性補償技術(shù),可以使溫度變送器具有良好的線性特性。
從非線性校正角度看,溫度傳感器可以分為來兩類:一類是互換性較差或者只能做到本企業(yè)內(nèi)產(chǎn)品之間互換, 如: 輻射測溫傳感器, 熱敏電阻等;另一類是可以互換的產(chǎn)品,如:熱電阻,熱電偶等,這類傳感器往往具有法定的分度表和分度公式。前一類傳感器傳感函數(shù)一般事先未知,因此非線性校正任務(wù)的地衣步是建立這樣的函數(shù), 但是受微處理器能力的限制, 使用時往往需要一個更簡化的近似函數(shù), 因此非線性校正的任務(wù)也包括建立個近似函數(shù)。
【系統(tǒng)研究的原理】
溫度變送器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號的儀表。主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。帶傳感器的變送器通常由兩部分組成:傳感器和信號轉(zhuǎn)換器。傳感器主要是熱電偶或熱電阻;信號轉(zhuǎn)換器主要由測量單元、信號處理和轉(zhuǎn)換單元組成(由于工業(yè)用熱電阻和熱電偶分度表是標(biāo)準(zhǔn)化的,因此信號轉(zhuǎn)換器作為好立產(chǎn)品時也稱為變送器),有些變送器增加了顯示單元,有些還具有現(xiàn)場總線功能。變送器如果由兩個用來測量溫差的傳感器組成,輸出信號與溫差之間有一給定的連續(xù)函數(shù)關(guān)系,故稱為溫度變送器。變送器輸出信號與溫度變量之間有一給定的連續(xù)函數(shù)關(guān)系(通常為線性函數(shù)),早期生產(chǎn)的變送器其輸出信號與溫度傳感器的電阻值(或電壓值)之間呈線性函數(shù)關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號主要為0 m A ~ 2 0 m A 和4 m A ~ 2 0 m A ( 或1V~5V)的直流電信號。
本文研究探索三暢一種新的溫度變送器校準(zhǔn)方法,并采用計算機數(shù)字處理技術(shù),謀求對溫度變送器的非線性特性給予補償。本文創(chuàng)新的核心在于通過系統(tǒng)傳遞函數(shù)的逆函數(shù)求解,對系統(tǒng)進(jìn)行全量程的非線性補償。其原理如圖1 所示。要實現(xiàn)溫度To 的準(zhǔn)確顯示,需要補償運算其中為一組數(shù)據(jù)量的非線性的運算, 運用M A T L A B軟件進(jìn)行擬合,擬合后的結(jié)果趨近于真實變送函數(shù)。
【三暢：系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)】
傳遞函數(shù)逆函數(shù)求解是非線性補償技術(shù)的關(guān)鍵。以往的各種兩點標(biāo)定法,都無法擺脫溫度傳感器和變送器本身非線性引入非線性誤差;過去的變送器非線性補償往往采用“分段線性化”技術(shù),這種方法無論如何都做不到“點點跟蹤”。
本算法研究的關(guān)鍵技術(shù)在于對包括溫度變送器所有的非線性因素進(jìn)行補償。這種關(guān)鍵技術(shù)在于求取溫度變送器的非線性函數(shù),進(jìn)而獲取這個非線性函數(shù)的反函數(shù),通過微型計算機運算對溫度變送器進(jìn)行非線性補償。本文的創(chuàng)新核心在于通過系統(tǒng)傳遞函數(shù)的逆函數(shù)求解,對系統(tǒng)進(jìn)行全量程的非線性補償。例如某非線性系統(tǒng)的原始實驗數(shù)據(jù)如表1:
根據(jù)以上數(shù)據(jù),經(jīng)數(shù)據(jù)擬合可獲得相應(yīng)的系統(tǒng)非線性曲線。這是一個看似線性函數(shù), 但實際上并非如此。這個復(fù)雜函數(shù)對應(yīng)所有的測試點,與實驗點的擬合誤差均非常小, 現(xiàn)將運算結(jié)果列表如表2:
上述擬合比傳統(tǒng)的#小二乘法的擬合結(jié)果要精密得多。現(xiàn)將#小二乘法(用一元二次多項式擬合)的擬合誤差列表如下:
上述分析表明采用全量程非線性補償可以獲得相當(dāng)好的線性效果。本文研究依托溫度傳感器與變送器微型計算機為平臺,通過對溫度的采集處理來驗證新算法并運用到數(shù)據(jù)采集過程中。同樣可以推廣到壓力,流量, P H 值等數(shù)據(jù)采集當(dāng)中。對于高精度的采集數(shù)據(jù)有效的, 使得不提高成本的前提下, 運用補償技術(shù)使得三暢儀器儀表擁有更高準(zhǔn)確度的采集結(jié)果。
【三暢：系統(tǒng)研究的實驗方法】
系統(tǒng)研究的實驗方法有以下3 種:
(1) 使用兩只型號相同的溫度傳感器,構(gòu)成兩個不同的溫度變送器, 經(jīng)過兩點標(biāo)定和非線性補償, 可以獲得相同的溫度顯示結(jié)果。
(2) 采用一只溫度傳感器,使用大致相同的電路組成兩個不同的溫度變送器, 經(jīng)過兩點標(biāo)定和非線性補償, 可以獲得相同的溫度顯示結(jié)果。
(3) 實驗數(shù)據(jù)和理論計算相結(jié)合進(jìn)行論證。通過guojia標(biāo)準(zhǔn)局對溫度傳感器給出傳感器的溫度所對應(yīng)的輸出信號數(shù)據(jù),求各溫度傳感器的溫度傳遞函數(shù)(這是一個非線性函數(shù)),進(jìn)而通過實驗求取溫度傳感器后續(xù)電路的非線性實驗數(shù)據(jù),進(jìn)一步獲取這一部分的非線性傳遞函數(shù)。#后通過數(shù)學(xué)運算證明本方法是完全合理的。
【三暢：結(jié)束語】
在日趨要求精度的今天,采用#小二乘法擬合的方法誤差較大, 新的方法全量程非線性補償法, 通過實驗的方式把新的算法在實驗室內(nèi)來驗證。本算法的研究成功, 不僅可以減少溫度變送器所引入的非線性誤差,而且還可以使用價格低廉、線性度低的溫度傳感器構(gòu)成高度線性的一體化溫度變送器。因此, 全量程非線性補償法在同行業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用有著新的發(fā)展方向與光明的發(fā)展前景。
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